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室溫下的固態邁射

only-perception
・2012/08/19 ・1139字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 548 ・八年級

一如今日 Nature 期刊中的報導,科學家目前展示一種能在室溫下運作的固態「邁射(MASER)」,為其廣泛應用鋪路。

邁射代表 Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation(微波受激發射放大)。基於這種過程(也是同樣的縮寫,下文用原文來表示)的裝置在五十多年前由科學家開發出來,比雷射的發明還更早。並非像雷射那樣創造出強烈的光束,相反的,邁射傳送集中的微波束。

傳統邁射技術利用堅硬的無機晶體,例如紅寶石,來放大微波,此過程稱為「masing」。然而,相較於雷射,邁射的技術性衝擊較小,因為要使其運作的極端條件難以產生;不是超低壓(由特殊真空腔與幫浦所提供),就是溫度接近絕對零度的冰凍狀態(由特殊的致冷器所支持)。更糟的是,也常常要用到強大的磁場,而那需要大型磁鐵。

現在,來自 National Physical Laboratory (NPL) 以及倫敦帝國學院的團隊已在一個室溫下、未施加磁場的固態裝置中展示 masing。今日的突破意味製造、運作邁射的成本能大幅減少,可能導致它們如雷射技術那樣被廣泛使用。

研究者指出,為了掃描病患,室溫邁射能用來製造更敏感的醫療儀器、為了遠端偵測爆裂物,能用來改良化學感應器;為了量子電腦,能製造出雜訊更低的讀取機器,另外為了偵測其他星球上的可能生命,它能用來製造出更好的無線電望遠鏡。

在 NPL 的研究共同作者 Dr Mark Oxborrow 表示:”半世紀以來,邁射已被遺忘,是雷射的麻煩表親。我們的設計突破將使邁射為業界與消費者所用。”

倫敦帝國學院材料系系主任以及論文共同作者 Professor Neil Alford 補充:”當雷射被發明時沒人確切知道它們將如何被使用,然而隨著科技蓬勃發展至今,雷射在我們日常生活中已相當普及。要使邁射達到這種程度,我們還有很長的路要走,但我們的突破確實意味這項技術已如字面所示「come out of the cold(雙關語,意指不再被忽視,另一意指可以在室溫下運作)」,並開始變得更有用。”

傳統的邁射技術使用硬質無機晶體,例如紅寶石,只有當紅寶石維持在非常的低溫下才有用。該團隊發現一種全然不同類型的結晶體,即摻雜五環素(pentacene)的 p-terphenyl(對三聯苯),能取代紅寶石,且能在室溫下重現相同的 masing 過程。

身為一種奇妙的轉變:五環素的摻雜反而使無色的 p-terphenyl 轉變成強眼的紅粉色(reddish pink) — 使得它看起來猶如紅寶石!

這個團隊目前面臨的雙重挑戰是使邁射能持續作用,其第一個裝置只能以脈衝模式運作,每次只有幾分之一秒。他們也要讓它能在微波頻率以外的範圍運作,而不是只有像目前這樣的窄頻,那將使這項科技更有用。

長期來說,該團隊有其他一系列目標,包括確認各種不同能在室溫下 mase 且耗能比摻雜五環素的 p-terphenyl 還要少的材料。該團隊也將聚焦在創造新設計上,那將使邁射更小、更可攜。

原始文獻:

Mark Oxborrow, Jonathan D. Breeze, Neil M. Alford
Nature, 488, 353–356, (16 August 2012)
doi: 10.1038/nature11339

資料來源:PHYSORG:MASER power comes out of the cold: Researchers demo solid-state MASER capable of operating at room temperatures[August 15, 2012]

轉載自only-perception

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only-perception
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妳/你好,我是來自火星的火星人,畢業於火星人理工大學(不是地球上的 MIT,請勿混淆 :p),名字裡有條魚,雖然跟魚一點關係也沒有,不過沒有關係,反正妳/你只要知道我不是地球人就行了... :D


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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

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